保护层分析中独立保护层的识别研究.pdf

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1、第 2 1 卷 第 7 期2 0 1 1 年 7 月中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournalVol 21 No 7Jul 2 0 1 1保护层分析中独立保护层的识别研究*白永忠高级工程师万古军工程师张广文工程师(中国石油化工股份有限公司 青岛安全工程研究院，山东 青岛 266071)学科分类与代码:6203070(安全系统工程)中图分类号:X913 4文献标志码:A【摘要】为阐述保护层分析(LOPA)中独立保护层(IPL)的识别规则，以及这些规则在实际应用中要注意的问题，以生产聚氯乙烯(PVC)的间歇聚合反应为例，对 8 个不同的 LOPA 场景进行分析，给出不同场景

2、的 IPL 和要求时的失效概率(PFD)，以及建议增加的 IPL。分析结果表明，在进行 IPL的识别时，应重点确认 IPL 的有效性和独立性。在评估 IPL 有效性时，应关注具有共同元件的 IPL，IPL 的行动能力、人员行动有效性及 IPL 的 PFD 等。在评估独立性时，应确保 IPL 独立于初始事件和同一场景中的其他 IPL 的任何构成元件。通过分析，发现 PVC 工艺中安全阀(PSV)设计、安全仪表功能(SIF)设计和人员行动等 IPL 中存在的问题，并提出相应的建议。【关键词】保护层分析(LOPA);独立保护层(IPL);场景;有效性;独立性;要求时失效概率(PFD)Study on

3、 Identification of Independent Protection Layersin Layer of Protection AnalysisBAI Yong-zhongWAN Gu-junZHANG Guang-wen(Qingdao Safety Engineering Institute，China Petroleum Chemical Corporation，Qingdao Shandong 266071，China)Abstract:In order to investigate the rules which are used to identify the IPL

4、 in LOPA and the problemsthat should be paid attention to when these rules were applied，this paper analyzed eight different LOPAscenarios in a batch polymerization of polyvinyl chloride(PVC)production The IPLs and their PFD ofdifferent scenarios were provided The IPLs that should be added were sugge

5、sted too The results show thatthe effectiveness and independence of IPL should be confirmed when identify the IPL The IPL with com-mon components，the IPLs action ability，the effectiveness of human action and IPLs PFD should be fo-cused when assessing the effectiveness of IPL When the independence of

6、 IPL is assessed，the IPL inde-pendent of the initiating event and the components of any other IPL already claimed for the same scenarioshould be assured The problems which exist in pressure safety valve(PSV)，safety instrumented function(SIF)system design and human action IPLs were discovered，and cor

7、responding solutions were proposedKey words:layer of protection analysis(LOPA);independent protection layer(IPL);scenario;effectiveness;independence;probability of failure on demand(PFD)0引言保护层分析(LOPA)技术是在危险识别(如危险与可操作性分析)的基础上，进一步评估过程保护层的有效性，确保过程风险减少到可接受水平的系统方法。LOPA 以其分析的客观性、可靠性和高效性等特点，近年来在国际石化企业中得到越来

8、越广泛的应用1 3。在 LOPA 分析过程中，非常关键的一步是独立保护层(IPL)的识别。美国化工过程安全中心出版的 LOPA 指南4 中，提出了确定 IPL的原则。Summers5 也对 IPL 的识别进行了阐述。国内对于 LOPA 的研究主要侧重于 LOPA 的实际应*文章编号:1003 3033(2011)07 0074 05;收稿日期:2011 04 11;修稿日期:2011 05 30用，如周荣义6 介绍了 LOPA 与 HAZOP 的结合应用;管杰7 介绍了 LOPA 在炼化企业某装置的应用;魏华8 介绍了 LOPA 在600 kt/a甲醇项目安全设计中的应用;白永忠9 对过程工业

9、计算机辅助安全防护层分析技术进展进行总结。从国内外对于 IPL 识别的研究情况来看，目前仅给出确定 IPL 的原则要求，并未结合具体案例进行分析，不利于对其识别原则的深入理解和实际应用。为此，笔者以生产聚氯乙烯(PVC)的间歇聚合反应为例，通过对8 个不同场景的分析，探讨 LOPA 如何进行 IPL 识别，对其识别原则进行了具体阐述。1LOPA 分析简介LOPA 是一种半定量的风险评估技术。LOPA 通常使用初始事件频率、后果严重程度和 IPL 失效频率的数量级大小来近似表征场景的风险。场景是导致不良后果的意外事件或一系列事件。场景中可能有各种阻止事故后果发生的不同类型保护层。LOPA 的主要

10、目的是确定是否有足够的保护层以防止意外事件发生(风险是否能够容忍)。LOPA 是一种特殊的事件树分析形式10。IPL是能够阻止场景向不良后果继续发展的一种设备、系统或行动，并且独立于初始事件或场景其他保护层的行动。IPL 的有效性根据要求时的失效概率(PFD)进行确定。IPL 可以类拟于事件树的分支，LOPA 计算不期望事件的频率。如果不期望事件的频率和后果的组合，也就是风险符合公司的风险标准要求，则认为保护措施足够，否则需增加其他保护措施，直至风险达到要求。2IPL 的识别一个典型的化工过程包含各种保护层，如本质更安全设计、基本过程控制系统(BPCS)、关键报警与人员干预、安全仪表功能(SI

11、F)、物理保护(安全阀等)、释放后物理保护、工厂应急响应和社区应急响应等。并不是所有的防护措施都可作为 IPL。设备、系统或行动作为 IPL，必须满足以下规则:1)有效性:按照设计的功能发挥作用，必须有效地防止后果发生。2)独立性:独立于初始事件和任何其他已经被认为是同一场景的独立保护层的构成元件。3)可审查性:对于阻止后果的有效性和 PFD必须以某种方式(通过记录、审查、测试等)进行验证。下面以生产 PVC 的间歇聚合反应为例，说明在LOPA 分析时，如何进行 IPL 的识别。图 1 为 PVC 工艺简化的 PID 图。此过程为氯乙烯单体(VCM)生产 PVC 的间歇聚合反应。水、液态 VC

12、M、引发剂和添加剂通过同一喷罐注入搅动的夹套反应器内。注入喷管与紧急排放阀和安全阀(PSV)相连接，抑制剂也可通过同一喷管添加。表 1 列出了 LOPA 中考虑的场景。表 1LOPA 场景Table 1Scenarios for LOPA场景分析场景分析场景 1冷却水失效，导致反应失控，反应器潜在的超压、泄漏、断裂，潜在的受伤和死亡场景 5人员错误注入 2 部催化剂的量，导致潜在的反应失控，超压、泄漏、断裂，受伤和死亡场景 2搅拌机电动机转动失效，导致潜在的反应失控，超压、泄漏、断裂，受伤和死亡场景 6BPCS 液位控制失效，导致反应器溢流，潜在的反应器超压、泄漏、断裂，受伤和死亡场景 3停电

13、(大面积)，导致潜在的反应失控，超压、泄漏、断裂，受伤和死亡场景 7在升温期间，BPCS 温度控制失效，潜在的反应器超压、泄漏、断裂，受伤和死亡场景 4冷却泵失效(停电)，导致潜在的反应失控，超压、泄漏、断裂，受伤和死亡场景 8搅拌器密封失效，导致潜在的氯乙烯(VCM)泄漏，潜在的火灾、爆炸、受伤和死亡所有场景的 LOPA 结果见表 2。表 2LOPA 结果Table 2Results of LOPA场景初始事件及频率触发事件或条件概率已有 IPL(PFD)需增加的 IPL(PFD)场景 1冷 却 水 损 失(1 101)引起反应失控的条件概率(0.5)1 BPCS 回路反应器高温报警，添加抑

14、制剂(1 101)2 压力释放阀(1 102)放空系统 SIF(1 103)57第 7 期白永 忠 等:保 护 层 分 析 中 独 立 保 护 层 的 识 别 研 究续表场景初始事件及频率触发事件或条件概率已有 IPL(PFD)需增加的 IPL(PFD)场景 2搅拌器电动机驱动失效(1 101)引起反应失控的条件概率(0.5)压力释放阀(1 102)放 空 系 统 SIF(1 103)场景 3停电(大范围)(1 101)引起反应失控的条件概率(0.5)压力释放阀(1 102)放 空 系 统 SIF(1 103)场景 4冷却水泵停电(1 101)引起反应失控的条件概率(0.5)1 BPCS 回路

15、反应器高温报警，添加抑制剂(1 101)2 压力释放阀(1 102)放 空 系 统 SIF(1 103)场景 5催化剂加入(每3 天一次，一年 121 次)操作人员双倍加入催化剂的条件概率(1 102)1 BPCS 回路反应器高温报警，添加抑制剂2 压力释放阀(1 102)放 空 系 统 SIF(1 103)场景 6BPCS 液位控制失效(1 101)引起反应失控的条件概率(0.5)压力释放阀(1 102)放 空 系 统 SIF(1 103)场景 7BPCS 温度控制回路失效(1 101)引起反应失控的反应器条件概率(0.5)压力释放阀(1 102)放 空 系 统 SIF(1 103)场景 8

16、密 封 失 效(1 101)局部排放系统(1 101)放 空 系 统 SIF(1 103)图 1PVC 工艺简化 PID 图Fig 1Simplified flowdiagram:the PVC process67中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第21卷2011年2 1有效性211具有共同元件的 IPL 分析根据表 2 的分析结果，场景 1 场景 8 都需要增加一个降压系统 SIF，安装一个在高温时打开的放空阀。在此例的设计中，防空阀和安全阀的排放管路与引发剂、水和添加剂的反应器入口管使用同一条管路，抑制剂的反应器入口管也使用同一管路。这就存在一个问题，即当

17、SIF 打开放空阀或 PSV 阀打开的同时，这些物料中的任何一种是否可以通过同一管路流入容器。对于某些物料，假设在泄放过程的同时，其不可能注入容器可能是可以接受的。对于多数场景，如果认为抑制剂是一种 IPL，降压系统和 PSV 也是 IPL，需讨论是否通过同一管路的抑制剂添加过程与系统放空过程能同时发生。在现有的管路设计下，分析小组需考虑 PSV 放空系统和抑制剂添加系统的有效性，它们是否都能作为 IPL。可考虑使用故障树对这些具有共同元件的防护措施进行分析。同样，对于场景 1、场景 2 和场景 3，紧急冷却系统(蒸气涡轮机)未作为独立保护层，因为有太多的公共元件(管线、阀门、外套等)可能引起

18、初始的冷却水失效。212IPL 的行动能力分析对于场景 1 场景 8，反应器放空期间(使用PSV 或放空阀)，还应考虑在管线上或阀门中是否可能发生两相流。如果有可能，应使用紧急泄放系统设计院(DIERS)标准或类似的计算，来确认泄放尺寸、机械强度、布置等是否合适。在场景 8，工艺设计的一个排气系统当作一个IPL，用来保护由于搅拌器轴密封失效导致的 VCM泄漏。密封设计的要求限制了 VCM 最大可能释放量，以保证排气系统是充足的。在 LOPA 中，假设这种 IPL 的 PFD 为 1 101。实际上，需对这种 IPL进行进一步分析。排气系统设计基础是否合适，取决于密封系统分析的水平和放空系统风扇

19、合理的历史失效率等。213人员行动作为 IPL 的分析对于场景 4，假设操作人员可以完成 2 个行动(打开上游冷却水泵及添加抑制剂)是合理的。但是，如果操作人员无法完成这 2 个报警响应任务之一时，那么操作人员就极有可能不能正确完成另一项任务。因此，在 LOPA 中，这些行动只有一项可以作为一个有效的 IPL。对于场景 8，某些分析小组成员认为反应器区域内低的人员存在率可被作为场景 8 的 IPL。但是，如果密封发生问题，可能有人员正在附近观察和讨论密封问题或正在对密封进行维护，发生事故将导致多人的死亡。因此，将人员低存在率作为一种IPL 可能是不合适的，因为不能确定其有效性或独立于初始事件。

20、在评估是否为 IPL 时，也要考虑人员行动的有效性。在一些场景中，搅拌器不能运行时，操作人员添加抑制剂，然后对反应器进行手动间歇排气以混合物料。某些小组成员认为，操作人员的这种联合行动可作为 IPL。但需评估这种联合行动是否满足以下要求:人员行动保护层有充足的分析时间和报警响应时间，要求采取的行动是否简单。经 LOPA小组讨论，这种行动不作为一个 IPL。214IPL 的 PFD 分析有效性也包括考虑 IPL 的 PFD。以 IPL 的 PSV(PFD=1 102)和放空阀 SIF(PFD=1 103)为例。PSV 这类设备的 PFD 相对较高 在放空过程中，由于聚合物或聚合性物质沉积可能导致

21、阀门或管线易发生堵塞或冻结。如果 SIF 的设计正确，它将检测到这种情况并发出信息，打开放空阀，其PFD 为 1 103。在 LOPA 中，认为 PSV 和放空阀的 PFD 都应为 1 102。因为除共用同一喷管外，2 个PSV 共用同一进口管线，2 个放空阀也共用同一进口管线。2 2独立性221独立于同一场景中的 IPL 的任何构成元件在 LOPA 中，识别出图 1 中设计的抑制剂添加系统、放空系统 SIF 和 PSV 使用了同一喷管，则它们的独立性令人置疑。需对这些防护措施是否都应作为 IPL 或是否需要不同的设计进行进一步研究。222独立于初始事件场景 4 中，同一个低冷却水流量报警将触

22、发操作人员的 2 种行动(启动上游冷却水泵和添加抑制剂)，某些分析小组成员认为，这 2 种行动都被视为IPL。实际上，在 LOPA 中这是不允许的，原因如下:如果同一个低流量报警失效，则 2 种行动可能都是无效的，因为操作人员可能不知道冷却水缺失;如果操作人员没有成功完成 2 个任务中的一个，则期望操作人员正确完成另一个行动是不可能的。场景 6 中，初始事件为 BPCS 的液位控制回路失效，导致反应器溢流。某些分析小组成员将液位和重要单元报警作为这个场景的一个 IPL，因为它们将提醒操作人员采取行动。在 LOPA 中，这是不允许的，因为如果初始事件是控制系统失效，就不能假设 BPCS 仍能检测

23、、处理和采取行动(产生报警)，从而允许操作人员采取行动。场景 7 中，初始事件为 BPCS 温度控制回路失77第 7 期白永 忠 等:保 护 层 分 析 中 独 立 保 护 层 的 识 别 研 究效。某些小组成员假设 BPCS 仍能检测温度、报警以提醒操作人员采取行动，可当成一个 IPL。这在LOPA 中是不允许的，在 BPCS 一部分失效情况下，不能假设同一 BPCS 温度回路的其他部分仍能有效检测、处理和产生报警信号。因此，如果初始事件与行动不独立，则行动不能视为一个 IPL。3设计变更建议3 1PSV 系统建议建议修改管网系统，每一个 PSV 通过自己的喷管和管网系统直接连接到反应器上，

24、确保 PSV 和抑制剂添加系统的独立性，同时消除正常运行期间或释放事件期间由聚合物引起的喷管堵塞导致 2 个PSV 均无效的情形。在 PSV 下面应考虑增加氮气吹扫，防止管线或阀门进口聚合物沉积或冻结。如果不考虑这种情况，应使用 DIERS 技术确定在释放期间管线和阀门处是否会发生两相流动。如果可能发生两相流动，管网和阀门应进行合适的设计13。这些变更将允许把 2 个 PSV 和抑制剂系统考虑为 IPL。由于管网变更和氮气吹扫系统的增加，PSV 系统的 PFD 将得到改善。3 2放空阀 SIF 系统建议PSV 系统设计的变更同样可用于放空阀 SIF 系统。在反应器顶部需要安装 2 个以上新的喷

25、管。同样，两相流、聚合等设计问题也必须考虑。变更后，放空阀 SIF 系统和抑制剂添加系统可作为 2 个 IPL。假设的 PSV 的 PFD 和风险容忍标准确定了 SIF 系统的 PFD。SIF 系统的最终设计(传感器数量、执行元件、处理器类型、测试频率和类型等)将由 SIF 的PFD 确定。3 3人员行动保护层每一个场景应只有一个人员行动被考虑作为IPL，除非分析结果表明具有独立的传感器、报警和操作人员。任何一种考虑作为 IPL 的人员行动必须具有完善的培训、测试和程序。4结论1)进行 LOPA 分析时，IPL 的识别需考虑其有效性、独立性和可审查性。只有同时满足这 3 个条件，该保护措施才能

26、作为 IPL。2)评估 IPL 有效性时，应重点关注具有共同元件的 IPL，IPL 的行动能力，人员行动的有效性以及IPL 的 PFD。应确保:具有共同元件的 IPL 可按要求同时发挥作用;IPL 有足够的能力采取所要求的行动;所要求的任务在操作人员的能力范围内;IPL 的 PFD 取值适当。3)在评估 IPL 时，应确保 IPL 独立于初始事件和任何其他已经被认为是同一场景的 IPL 的构成元件。参 考 文 献 1Dowell A M Layer of protection analysis for determining safety integrity level J ISA Trans

27、actions，1998，37(3):155 165 2Wei C Y，Rogers W J，Mannan M S Layer of proction analysis for reactive chemical risk assessmentJ Journal ofHazardous Materials，2008，159(1):19 24 3Gowland R The accidental risk assessment methodology for industries(ARAMIS)/layer of protection analysis(LOPA)methodology:A ste

28、p forward towards convergent practices in risk assessment?J Journal of Hazardous Materials，2006，130(3):307 310 4CCPS Layer of Protection AnalysisSimplified Process Risk Assessment M New York:Wiley，2001 5Summers A E Introduction to layers of proction analysis J Journal of Hazardous Materials，2003，104

29、(1 3):163 168 6周荣义，李石林，刘何清 HAZOP 分析中 LOPA 的应用研究 J 中国安全科学学报，2010，20(7):76 81ZHOU Rong-yi，LI Shi-lin，LIU He-qing Study on application of LOPA in HAZOPJ China Safety Science Journal，2010，20(7):76 81 7管杰，廖海燕 保护层分析(LOPA)在炼化生产中的应用 J 安全健康和环境，2010，10(1):36 38GUAN Jie，LIAO Hai-yan Application of layer of pro

30、tection analysis in the refinery productionJ Safety Health Environment，2010，10(1):36 38 8魏华 安全设计的保护层分析在 600kt/a 甲醇项目中的应用 J 石油化工自动化，2008(6):24 27WEI Hua The application practice of LOPA in the 600 kt/a methanol project J Automation in Petrochemical Industry，2008(6):24 27 9白永忠，李奇，姜巍巍，等 过程工业计算机辅助安全防护层分

31、析技术进展 J 中国安全科学学报，2008，18(12):154 160BAI Yong-zhong，LI Qi，JIANG Wei-wei，et al Progress in computer-aided analysis of protective layers in processindustry J China Safety Science Journal，2008，18(12):154 160 10 CCPS Guidelines for Pressure Relief and Effluent Handling Systems M New York:Wiley，1998作者简介:白永忠(1970 )，男，高级工程师，国家一级安全评价师，在中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院从事石油化工过程安全管理研究。E-mail:baiyz qday sinopec com87中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第21卷2011年